一种空分装置的原料空气深度净化工艺及应用的制作方法

本发明属于空气净化技术领域，特别涉及一种空分装置的原料空气净化，具体为一种空分装置的原料空气深度净化工艺及应用。

背景技术：

2015年我国煤炭开采量达到37.5亿吨，在采煤过程中因通风需要向大气中排放200亿立方米以上的煤炭附着气体，其主要成分是甲烷。在煤矿集中开采区一定地域范围内，空气中含有不同含量的轻烃，在我国主要产煤区建有大量煤化工装置，而煤化工装置均需要空气分离N₂和O₂，空分装置中空气中的轻烃在深冷工序中会集聚留存，凝结在管道中，造成工艺管线堵塞，影响生产工艺稳定运行的同时增加安全隐患，甚至发生安全事故。

现有空气分离装置中，对空气中的轻烃进行定时排放，排放中存在排放不干净现象，导致工艺运行过程中安全隐患增加；低沸点的轻烃在深冷过程中凝结，停产检修频繁。在产煤区方圆数十公里范围内，空气中轻烃含量通常在几ppm到几十ppm不等，最高达到上百ppm，这给空分装置带来重大的安全问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于为空分装置有效运行提供安全保证，在空分装置前端对原料空气进行深度净化，脱除空气中的轻烃，脱烃后的空气经脱水和脱二氧化碳，实现原料空气的彻底净化。本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种空分装置的原料空气深度净化工艺，将空气通过多级换热及预热后进入脱烃反应器，空气中的轻烃与氧反应生成水和二氧化碳，脱烃后的空气依次经脱水和脱二氧化碳，实现空气的彻底净化。

作为本发明所述一种空分装置的原料空气深度净化工艺的一个具体实施例，所述轻烃与氧反应的压力为0.3Mpa～1.0MPa、温度300～450℃、空速为5000～20000h^～1；所述多级换热为2～3级。

作为本发明所述一种空分装置的原料空气深度净化工艺的一个具体实施例，所述的脱水选用吸附剂吸附的方法脱除，所述脱水采用两塔设置，一塔吸附，另一塔再生，交替进行。进一步，所述再生温度为150～200℃；所述吸附剂选自分子筛或硅胶。

作为本发明所述一种空分装置的原料空气深度净化工艺的一个具体实施例，所述脱二氧化碳选用吸附剂吸附的方法脱除；所述脱二氧化碳采用两塔设置，一塔吸附，另一塔再生，交替进行。进一步，所述再生为抽空或冲洗，所述吸附剂选自分子筛、活性炭或硅胶。

具体地，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种空分装置的原料空气深度净化工艺，包括换热、预热、脱烃反应、冷却、脱水及脱二氧化碳，具体过程如下：

1)、来自空压机出口的空气，温度为80～120℃、压力为0.3～1.0MPa，通过一级换热器，与温度为190～265℃脱烃后的空气换热，原始空气温度升高至165～220℃、脱烃后空气温度降低至105～160℃；

2)、加热后的空气进一步通过二级换热器，与温度为275～365℃脱烃后的的空气换热，原始空气温度升高至250～320℃，脱烃后空气温度降低至190～265℃；

3)、加热后的空气进一步通过三级换热器，与温度为360～460℃脱烃后的的空气换热，原始空气温度升高至340～420℃，脱烃后空气温度降低至275～365℃；

4)、换热后的空气进一步通过预热，将气体温度升温至350～450℃；

5)、温度达到350～450℃的原始空气进入催化反应器，在催化剂作用下，空气中的轻烃与氧气进行反应生成二氧化碳和水；

6)、反应后温度为360～460℃的空气，先后经三级、二级、一级换热器通过与原始空气的梯度换热后温度降低至105～160℃；

7)、通过脱烃反应后，温度降低后的空气进入冷却器，冷却后温度为40℃，然后经脱水及脱二氧化碳后进入空分装置进行分离。

作为本发明所述一种空分装置的原料空气深度净化工艺的一个具体实施例，所述催化剂为贵金属催化剂、过渡金属氧化物催化剂或贵金属修饰的复合金属氧化物催化剂中的一种或几种。本发明轻烃及氧气反应的催化剂并不局限于此，催化剂只要求具有一定的活性，能催化轻烃与氧发生催化氧化反应即可，只要能实现本发明轻烃氧化的目的均应包涵在本发明保护范围内。

经本工艺处理后，空气中轻烃含量低于4ppm，水和二氧化碳含量低于10ppm。

本发明还涉及所述空分装置原料空气深度净化工艺的应用，所述净化工艺应用于空分装置的原料空气深度净化。

本发明空分装置的原料空气深度净化工艺的整个装置处于闭路循环。本发明的换热过程也可采用两级换热，相比较于三级换热，两级换热温差更大，热量利用率有所降低，这对本行业的技术人员来说，是显而易见的。

本发明的预热可以采用电加热，也可采用其它加热方式。只要是能实现空气预热的目的均可。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明可实现空分装置原料空气的深度净化，将空气中的轻烃含量脱至低于4ppm，水和二氧化碳含量脱至低于10ppm；

2、本发明工艺抗负荷波动能力强，工艺所使用的设备运行维护费用低；

3、本发明多级换热系统利用脱烃反应后的空气对原始空气进行加热，利用脱烃反应的热量使原始空气的温度升高至轻烃和氧气反应所需温度，使热量得到充分回收利用，降低了经济成本，避免了能量的浪费；

4、本发明工艺过程只产生少量的水和二氧化碳，无副产物，且水及二氧化碳脱除方法简单，能达到对空分装置原料空气深度净化的目的。

附图说明

图1为本发明三级换热原料空气深度净化流程图；

图2为本发明二级换热原料空气深度净化流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

实施例1

本实施例空分装置的原料空气净化流程如图1所示。

来自空压机出口的空气轻烃含量为38ppm，流量为40000Nm³/h，温度为80℃，压力1.0MPaG，分别与脱烃反应后310℃高温气体三级换热，第一级加热至115℃，第二级加热至200℃，第三级加热至285℃，然后经电加热器加热至300℃后进入装有贵金属的脱烃反应器，气体处理空速为20000h^～1，在反应器内的轻烃与氧气发生反应生成二氧化碳和水，脱烃后气体中总烃含量为2.6ppm。脱烃后的310℃高温气体作为热流体与进反应器的冷流体在三级换热器内分别进行热交换，第三级降温至240℃，第二级降温至170℃，第一级降温至105℃，再经过水冷器至40℃，得到轻烃指标符合要求的气体送往脱水工序，脱水工序选用分子筛作为吸附剂，采用两塔设置，在任一时刻，总有一塔处于吸附状态，另一塔处于再生状态，交替进行，再生温度为200℃，脱水后气体中的水含量2.5ppm。脱水后的气体进入装有硅胶的脱碳装置，脱碳采用两塔设置，在任一时刻，总有一塔处于吸附状态，另一塔处于再生状态，交替进行，再生方式采用抽空解析，脱碳后气体中的二氧化碳含量为7.6ppm。

实施例2

本实施例空分装置的原料空气净化流程如图1所示。

来自空压机出口的空气轻烃含量为105ppm，流量为60000Nm³/h，温度为120℃，压力0.3MPaG，分别与脱烃反应后460℃高温气体三级换热，第一级加热至220℃，第二级加热至320℃，第三级加热至420℃，然后经电加热器加热至450℃后进入装有过渡金属氧化物催化剂的脱烃反应器，气体处理空速为5000h^～1，在反应器内的轻烃与氧气发生反应生成二氧化碳和水，脱烃后气体中总烃含量为3.7ppm。脱烃后的460℃高温气体作为热流体与进反应器的冷流体在三级换热器内分别进行热交换，第三级降温至360℃，第二级降温至260℃，第一级降温至160℃，再经过水冷器至40℃，得到轻烃指标符合要求的气体送往脱水工序，脱水工序选用硅胶作为吸附剂，采用两塔设置，在任一时刻，总有一塔处于吸附状态，另一塔处于再生状态，交替进行，再生温度为150℃，脱水后气体中的水含量为6.8ppm。脱水后的气体进入装有分子筛的脱碳装置，脱碳采用两塔设置，在任一时刻，总有一塔处于吸附状态，另一塔处于再生状态，交替进行，再生方式采用净化后的空气冲洗解析，脱碳后气体中的二氧化碳含量为3.4ppm。

实施例3

本实施例空分装置的原料空气净化流程如图2所示。

来自空压机出口的空气轻烃含量为67ppm，流量为50000Nm³/h，温度为100℃，压力0.7MPaG，分别与脱烃反应后410℃高温气体两级换热，第一级加热至240℃，第二级加热至380℃，然后经电加热器加热至400℃后进入装有贵金属修饰的复合金属氧化物催化剂的脱烃反应器，气体处理空速为12500h^～1，在反应器内的轻烃与氧气发生反应生成二氧化碳和水，脱烃后气体中总烃含量为3.4ppm。脱烃后的410℃高温气体作为热流体与进反应器的冷流体在两级换热器内分别进行热交换，第二级降温至270℃，第一级降温至130℃，再经过水冷器至40℃，得到轻烃指标符合要求的气体送往脱水工序，脱水工序选用分子筛作为吸附剂，采用两塔设置，在任一时刻，总有一塔处于吸附状态，另一塔处于再生状态，交替进行，再生温度为175℃，脱水后气体中的水含量为3.5ppm。脱水后的气体进入装有活性炭的脱碳装置，脱碳采用两塔设置，在任一时刻，总有一塔处于吸附状态，另一塔处于再生状态，交替进行，再生方式采用抽空解析，脱碳后气体中的二氧化碳含量为4.8ppm。

实施例4

本实施例为本发明的工业应用，具体工艺流程如图1所示。

来自空压机出口的空气轻烃含量为24ppm，流量为54000Nm³/h，温度为90℃，压力0.54MPaG，分别与脱烃反应后410℃高温气体三级换热，第一级加热至190℃，第二级加热至290℃，第三级加热至390℃，然后经电加热器加热至400℃后进入装有过渡金属氧化物催化贵金属剂的脱烃反应器，气体处理空速为9000h^～1，在反应器内的轻烃与氧气发生反应生成二氧化碳和水，脱烃后气体中总烃含量为2.8ppm。脱烃后的410℃高温气体作为热流体与进反应器的冷流体在三级换热器内分别进行热交换，第三级降温至310℃，第二级降温至210℃，第一级降温至110℃，再经过水冷器至40℃，得到轻烃指标符合要求的气体送往脱水工序，脱水工序选用分子筛作为吸附剂，采用两塔设置，在任一时刻，总有一塔处于吸附状态，另一塔处于再生状态，交替进行，再生温度为170℃，脱水后气体中的水含量为2.7ppm。脱水后的气体进入装有分子筛的脱碳装置，脱碳采用两塔设置，在任一时刻，总有一塔处于吸附状态，另一塔处于再生状态，交替进行，再生方式采用抽空解析，脱碳后气体中的二氧化碳含量为1.9ppm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。